金屬材料性能與應(yīng)用教學(xué)講稿各位同學(xué)，大家好。今天我們共同探討一個(gè)工業(yè)領(lǐng)域至關(guān)重要的基礎(chǔ)話題——金屬材料的性能與應(yīng)用。我們身邊的世界，從宏偉的建筑到精密的儀器，從飛馳的交通工具到日常的生活用品，金屬材料都扮演著不可或缺的角色。理解金屬材料的性能，掌握其應(yīng)用規(guī)律，不僅是工程實(shí)踐的基礎(chǔ)，也是我們深入學(xué)習(xí)材料科學(xué)的起點(diǎn)。一、金屬材料的基本性能：理解材料的“脾氣”與“本事”我們談?wù)撘环N材料，首先要了解它的“脾氣”和“本事”，這就是材料的性能。金屬材料的性能是選擇和應(yīng)用它的根本依據(jù)，大致可以分為力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及工藝性能。其中，力學(xué)性能是我們最為關(guān)注，也是衡量材料承載能力的核心指標(biāo)。（一）金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能指的是金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗能力和變形行為。想象一下，一根鋼梁要支撐屋頂，它能承受多大的重量而不折斷？一根鐵絲能被彎成各種形狀而不斷裂，這又體現(xiàn)了它的什么特性？這些都是力學(xué)性能要回答的問(wèn)題。1.強(qiáng)度：強(qiáng)度是材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。這是結(jié)構(gòu)材料的首要指標(biāo)。我們通常通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料的強(qiáng)度。比如，“屈服強(qiáng)度”是材料開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力，它告訴我們材料在不產(chǎn)生永久變形前提下能承受的最大載荷。而“抗拉強(qiáng)度”則是材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，代表了材料抵抗破壞的極限能力。對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)件，我們希望材料具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。2.塑性：與強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，塑性是材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形（即卸載后不能恢復(fù)的變形）而不破壞的能力。伸長(zhǎng)率和斷面收縮率是衡量塑性的主要指標(biāo)。塑性好的材料，不僅便于進(jìn)行壓力加工，如軋制、鍛造、沖壓等，在服役過(guò)程中萬(wàn)一承受過(guò)載，也能通過(guò)塑性變形吸收能量，避免突然斷裂，這對(duì)于保障安全至關(guān)重要。例如，我們常見(jiàn)的低碳鋼，就具有良好的塑性，可以被加工成各種形狀。3.硬度：硬度是材料表面抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是材料“硬不硬”。硬度測(cè)試方法很多，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等，它們各有適用范圍。硬度值不僅能反映材料的耐磨性，還能間接估算材料的強(qiáng)度，因?yàn)樵谝欢l件下，硬度與強(qiáng)度之間存在近似的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于刀具、模具、軸承等零件，高硬度是必不可少的。4.韌性：韌性是一個(gè)綜合的力學(xué)性能指標(biāo)，它表征材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映了材料抵抗裂紋擴(kuò)展和脆性斷裂的能力。脆性材料強(qiáng)度可能很高，但韌性差，受到?jīng)_擊時(shí)容易突然斷裂，造成嚴(yán)重后果。沖擊韌性是衡量材料韌性的常用指標(biāo)之一，它通過(guò)沖擊試驗(yàn)測(cè)定。在一些承受沖擊載荷的場(chǎng)合，如橋梁、車(chē)輛的傳動(dòng)軸等，材料的韌性就顯得尤為重要，我們需要在強(qiáng)度和韌性之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。5.疲勞強(qiáng)度：許多機(jī)械零件，如齒輪、彈簧、軸等，在工作時(shí)承受的是周期性變化的載荷，即交變應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力值低于材料的屈服強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)后，材料也可能發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞斷裂。材料抵抗疲勞斷裂的能力用疲勞強(qiáng)度（或疲勞極限）來(lái)表示，即材料在無(wú)限次循環(huán)應(yīng)力作用下而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值。疲勞斷裂是機(jī)械零件失效的主要形式之一，因此，疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)這類(lèi)零件時(shí)必須考慮的關(guān)鍵指標(biāo)。（二）金屬材料的物理性能與化學(xué)性能除了力學(xué)性能，金屬材料的物理性能和化學(xué)性能在特定應(yīng)用場(chǎng)合也起著決定性作用。1.物理性能：主要包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。*密度：對(duì)于要求減輕自重的場(chǎng)合，如航空航天構(gòu)件，低密度的金屬材料（如鋁合金、鈦合金）就具有顯著優(yōu)勢(shì)。*熔點(diǎn)：高溫工作的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，就需要選用高熔點(diǎn)的金屬材料。*導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性：銅和鋁因其優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于電器、電子和散熱領(lǐng)域。*熱膨脹性：不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，在設(shè)計(jì)精密儀器或溫度變化較大的部件時(shí)，必須考慮熱膨脹帶來(lái)的影響，避免產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。*磁性：鐵磁性材料（如鐵、鈷、鎳及其合金）在電工、電子和儀表工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，而非磁性材料則用于需要避免磁場(chǎng)干擾的場(chǎng)合。2.化學(xué)性能：主要指材料的化學(xué)穩(wěn)定性，即抵抗周?chē)橘|(zhì)（如空氣、水、酸、堿、鹽等）化學(xué)侵蝕的能力，主要包括耐腐蝕性和抗氧化性。*耐腐蝕性：在化工、海洋、食品加工等領(lǐng)域，金屬材料的耐腐蝕性是選擇材料的關(guān)鍵。不銹鋼之所以“不銹”，就是因?yàn)槠浔砻嫘纬闪艘粚又旅艿难趸?，能有效抵抗腐蝕介質(zhì)的侵蝕。*抗氧化性：金屬材料在高溫下與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力稱(chēng)為抗氧化性。對(duì)于在高溫下長(zhǎng)期工作的零件，如鍋爐、汽輪機(jī)葉片等，良好的抗氧化性是保證其使用壽命的重要因素。二、金屬材料的選用原則與典型應(yīng)用了解了金屬材料的各種性能，接下來(lái)的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何根據(jù)具體的使用條件和性能要求，合理地選用金屬材料。這是一個(gè)需要綜合考慮多方面因素的過(guò)程。（一）金屬材料的選用原則1.滿足使用性能要求：這是選材的首要原則。根據(jù)零件的工作條件（如載荷類(lèi)型、大小、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、介質(zhì)環(huán)境等），分析零件對(duì)材料性能的要求，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。例如，承受交變載荷的軸類(lèi)零件，需要考慮疲勞強(qiáng)度；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件，必須考慮耐腐蝕性。2.良好的工藝性能：材料應(yīng)易于加工成所需的形狀。不同的加工方法（鑄造、鍛造、焊接、切削加工、熱處理等）對(duì)材料的工藝性能有不同要求。例如，鑄造性能好的材料（如灰鑄鐵）適合鑄造復(fù)雜形狀的零件；而焊接性能好的材料（如低碳鋼）便于焊接成形。3.經(jīng)濟(jì)性：在滿足使用性能和工藝性能的前提下，應(yīng)盡可能選用價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛的材料，以降低總成本。有時(shí)，一種性能優(yōu)良的材料可能價(jià)格較高，但如果能延長(zhǎng)零件壽命、減少維護(hù)費(fèi)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看可能更經(jīng)濟(jì)。此外，還要考慮材料的加工成本。4.環(huán)境與資源因素：隨著社會(huì)的發(fā)展，材料的選用還應(yīng)考慮其對(duì)環(huán)境的影響，如是否易于回收利用，是否含有有毒元素等。同時(shí)，也要關(guān)注資源的可持續(xù)性。（二）典型金屬材料的應(yīng)用舉例基于以上原則，我們來(lái)看看一些典型金屬材料的應(yīng)用：1.結(jié)構(gòu)鋼：這類(lèi)鋼主要用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件。*低碳鋼（如Q235系列）：具有良好的塑性、韌性和焊接性能，強(qiáng)度相對(duì)較低，常用于橋梁、建筑構(gòu)件、容器、管道等。*中碳鋼（如45鋼）：經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性配合較好），廣泛用于制造軸、齒輪、連桿等重要機(jī)械零件。*高碳鋼（如T8、T10）：經(jīng)淬火回火后硬度高、耐磨性好，常用于制造刀具、模具、彈簧等。*合金結(jié)構(gòu)鋼（如40Cr、20CrMnTi）：通過(guò)加入合金元素，進(jìn)一步提高了鋼的強(qiáng)度、韌性或淬透性，用于制造承受重載、交變載荷或要求尺寸穩(wěn)定性高的重要零件，如汽車(chē)變速箱齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。2.工具鋼：專(zhuān)門(mén)用于制造各種切削刀具、模具和量具。根據(jù)用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。它們通常都具有高硬度、高耐磨性和足夠的韌性。例如高速鋼，即使在較高的切削溫度下仍能保持其硬度和耐磨性，是制造高速切削刀具的主要材料。3.不銹鋼：如前所述，不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性。根據(jù)其組織和性能特點(diǎn)，可分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼等。奧氏體不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti）具有良好的耐蝕性和焊接性能，廣泛用于化工設(shè)備、醫(yī)療器械、食品加工設(shè)備等。4.鑄鐵：鑄鐵是含碳量較高的鐵碳合金，具有良好的鑄造性能、減震性、耐磨性和切削加工性能，價(jià)格低廉?；诣T鐵常用于制造機(jī)床床身、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、管道等；球墨鑄鐵通過(guò)球化處理，性能得到顯著改善，強(qiáng)度和韌性接近鋼材，可用于制造曲軸、齒輪等受力零件。5.有色金屬及其合金：*鋁合金：密度小，比強(qiáng)度高，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和耐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸（如汽車(chē)、高鐵車(chē)身）、建筑裝飾、電子設(shè)備等領(lǐng)域。*銅合金：導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)異，塑性好，耐蝕性也較好。純銅用于制造導(dǎo)線、電器元件；黃銅（銅鋅合金）用于制造閥門(mén)、管件、裝飾品；青銅（銅錫合金等）用于制造軸承、軸套等耐磨零件。*鈦合金：具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，是航空航天工業(yè)的關(guān)鍵材料，也越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)療（如人工關(guān)節(jié)）、化工等領(lǐng)域，但成本較高。三、總結(jié)與展望今天我們系統(tǒng)學(xué)習(xí)了金屬材料的主要性能，包括力學(xué)性能中的強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度，以及物理性能和化學(xué)性能，并探討了材料選用的基本原則和一些典型應(yīng)用案例。希望大家能夠?qū)⑦@些知識(shí)融會(huì)貫通，理解性能是基礎(chǔ)，應(yīng)用是目的，而選用是橋梁。金屬材料科學(xué)與工程是一門(mén)不斷發(fā)展的學(xué)科。隨著新技術(shù)、新工藝的涌現(xiàn)，如精確控制的冶煉技術(shù)、先進(jìn)的成形技術(shù)、表面改性技術(shù)以及復(fù)合材料的發(fā)展，金屬材料的性能將得到進(jìn)一步提升，其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展。例如，高性能鋁